Измерение Sub-23 Нанометровые реальные выбросы номеров вождения с помощью портативной системы выборки DownToTen

Резюме

Здесь представлена портативная система измерения выбросов DownToTen (DTT) для оценки реальных автомобильных выбросов частиц суб-23 нм.

Аннотация

Текущий порог размера частиц в европейских стандартах выбросов частиц (PN) составляет 23 нм. Этот порог может измениться, поскольку будущая технология двигателя внутреннего сгорания может излучать большое количество частиц суб-23 нм. Финансируемый Horizon 2020 проект DownToTen (DTT) разработал метод отбора проб и измерения для характеристики выбросов частиц в этом в настоящее время нерегулируемом диапазоне размеров. На основе обширного обзора литературы и лабораторных экспериментов была разработана система измерений PN, в ходе работы над тестированием различных подходов к измерению и отбору проб PN. Разработанная система измерений характеризуется высоким проникновением частиц и универсальностью, что позволяет проводить оценку первичных частиц, отложенных первичных частиц и вторичных аэрозолей, начиная с нескольких нанометров в диаметре. В настоящем документе содержится инструкция о том, как установить и эксплуатировать эту Портативную систему измерения выбросов (PEMS) для измерения реальных выбросов привода (RDE) и оценить выбросы количества частиц ниже действующего законодательного предела в 23 нм.

Введение

Программа измерения частиц (PMP) была основана правительством Великобритании для "разработки протоколов испытаний типа утверждения для оценки транспортных средств, оснащенных передовой технологией сокращения твердых частиц, которая будет дополнять или заменять существующие законодательные процедуры^{измерения" 1}. ПМП является первой в мире регуляцией выбросов на основе количества частиц, нацеленной конкретно на углеродистые частицы ≥23 нм. Недавние измерения показывают, что может потребоваться включить мелкие частицы.

Негативные последствия для здоровья дизельной сажи^{хорошо понимают 2}, и, следовательно, "принцип предосторожности" был вызван на том основании, что устранение частиц углерода из дизельных выхлопных газов, через обязательное использование дизельных фильтров твердых частиц (DPFs), было необходимо по состоянию здоровья. Однако, поскольку в европейском законодательстве предельное значение должно вынудить внедрение технологий контроля выбросов, этого нельзя добиться без соответствующего метода измерения. При сильной политической поддержке по всей Европе правительство Соединенного Королевства возглавило концепцию ПМП по улучшению измерений твердых частиц. ПМП под эгидой Экономической комиссии Организации Объединенных Наций по Европе (UN-ECE)³включила в себя опыт других людей со всего мира. В 2001 году были завершены два проекта по исследованию частиц. Один из них (Particulate Research⁴⁾был проведен Департаментом окружающей среды, транспорта и регионов Великобритании (DETR) в партнерстве с Обществом автопроизводителей и трейдеров (SMMT) и Европейской организацией нефтяных компаний по окружающей среде, здоровью и безопасности (CONCAWE). Другая (PARTICULATES⁵) финансировалась 5-й Рамочной^{программой Европейского} союза и осуществлялась 14 различными европейскими партнерами. Результаты обоих проектов свидетельствуют о том, что процедуры, основанные на количестве частиц, являются многообещающими, однако проблемы, связанные с повторяемыми и воспроизводимыми измерениями, остаются.

В 2007 году был опубликован окончательный доклад PMP Light-duty Inter-laboratory Correlation^{Exercise, в том}числе некоторые улучшения метода измерения массы на основе фильтра, в первую очередь демонстрирующие осуществимость метода, основанного на количестве, для регуляторных целей, основанного на определенном диапазоне размеров частиц и волатильности частиц. Оба метода были внедрены на основе выборки из существующего подхода к разбавлению тоннеля постоянного объема (CVS), первоначально разработанного для измерения выбросов твердых частиц и мешков разбавленных газификационных выбросов.

В рамках метода, основанного на подсчете числа, был выбран более низкий предел размера частиц в 20 нм. Основная цель проекта заключалась в обеспечении того, чтобы частицы такого размера и выше контролировались законодательством. В настоящее время известно, что размер первичной частицы в выхлопных газах двигателя может быть lt;20^{нм 7,8,9}. По практическим причинам был выбран счетчик частиц с 50% эффективностью подсчета (d₅₀₎при 23 нм, и этот размер стал общепринятым порогом более низкого размера. Было признано, что из-за высокой чувствительности к таким свойствам, как разбавление, температура воздуха, влажность и^{соотношение 10, распределение летучих}частиц и комплексные измерения числа могут быть повторяемыми в одном CVS-оборудованном объекте с одним транспортным средством, но гораздо меньше от объекта к объекту. Таким образом, для строгого регулирования необходимо сосредоточить внимание исключительно на неволатилистых частицах, при этом подход к измерению эффективно определяет условия границы регулятивных частиц по размеру и волатильности. Европейское дизельное топливо имеет бэк-энд волатильность такова, что только несколько процентов кипит при температурах выше 350 градусов по Цельсию, и ранние работы в рамках PMP показали, что короткое время пребывания при этой температуре были пригодны для полного испарения тетраконтана, линейного углеводорода, содержащего 40 атомов углерода с волатильностью к концу^{точки кипения двигателя смазки 11}. Таким образом, температура 350 градусов по Цельсию стала де-факто точкой отсчета для регулятивной волатильности частиц.

Спецификация системы измерения PMP включает компоненты для отбора проб, кондиционирования образцов и измерения, обобщенные в таблице 1.

Этапе	Идентичности	Цель
0	Источник образца	Происхождение образца
1	Транспорт частиц	Проведение выборки от происхождения до системы измерений
2	Летучий удаления частиц	Устранение летучих веществ и определение нестабильных частиц, которые должны быть измерены
3	Счетчик номеров частиц	Перечислите нестабильные частицы и определите предел нижнего размера

Таблица 1: Элементы системы измерения ПМП.

В настоящее время реализуется европейский подход PMP PN, который теперь распространяется на легкие дизельные (сентябрь 2011 г., ЕВРО 5b) и GDI (сентябрь 2014 г., ЕВРО-6), а также на дизельные и газовые тяжелые двигатели (февраль 2013 г., ЕВРО VI).

Недавние измерения показали, что некоторые легкие транспортные средства и, в частности, технологии зажигания искры, могут излучать значительные уровни частиц lt;23 nm^12,13,14. Это привело к тому, что Европейская комиссия финансировала исследовательские проекты для разработки новых или расширенных методов, которые могут быть быстро реализованы в качестве замены или дополнения к действующему регулированию в размере 23 нм.

Один из таких проектов, DownToTen (DTT), направлен на сохранение общего подхода ПМП и расширение диапазона измерений до d₅₀ ≤10 нм. С этой целью конфигурация системы измерения DTT была разработана таким образом, чтобы включить те же основные элементы, описанные в таблице 1, но с кондиционированием и измерения шаги оптимизированы для обеспечения эффективного транспортировки и обнаружения частиц lt;23 нм. Система DTT была первоначально разработана для лабораторного использования, но была изменена для работы в качестве портативной системы измерения выбросов (PEMS). Для системы DTT PN-PEMS компоненты были оптимизированы для снижения веса и энергопотребления и повышения физической надежности без существенного отхода от первоначальной конструкции. Для мобильного приложения система должна быть устойчива к более суровым и неустойчивым температурам, давлению и вибрационным средам, которые, вероятно, встречаются при испытаниях PEMS легкой и большой грузоозарядки. Влияние колебаний давления на входе системы было смоделировано и изучено экспериментально¹⁵. Устойчивость к вибрациям оценивалась с помощью специальной испытательной^{кровати 16.} Вибрации и ускорения, которые происходят во время типичных дисков RDE, не нарушили результаты измерений используемых счетчиков частиц конденсата. Система DTT также предназначена для использования при низких температурах, где неустойчивая функция удаления неактивна, чтобы кормить стареющую камеру и изучать вторичное органическое образование^{аэрозолей 17.}

Тепловые элементы системы измерения DTT, определяющие регулятивную границу волатильности частиц, тесно параллельные элементам системы PMP, в том, что обе системы содержат последовательность:

1. Первая стадия разбавления числа частиц
2. Этап ликвидации HC/volatile
3. Вторая стадия разбавления числа частиц

Основные различия между системами DTT и PMP заключается в том, что компоненты системы DTT выбираются для:

1. Максимальная передача 10 нм PN от источника выборки к счетчику частиц с использованием подходов к разбавлению низких потерь и передаче частиц
2. Всеобъемлющее удаление летучих веществ с использованием ликвидации окислительных частиц, а не просто снижение частичного давления конденсируемых видов HC путем испарения и разбавления
3. Подсчитайте частицы в 10-50 нм с большей эффективностью, чем текущие системы PMP

Цель настоящего документа заключается в том, чтобы представить использование системы DTT PN-PEMS для измерения неволатиловых частиц ≥10 нм от транспортного средства, на самом пользования. Это включает в себя введение в систему измерений и ее основных компонентов, проведение лабораторных измерений калибровки, установку устройства для мобильного приложения, проведение реального измерения выбросов и обработку собранных данных измерений.

Инструментария

DTT PN-PEMS был разработан, чтобы обеспечить высокое проникновение частиц до нескольких нанометров, надежное разбавление числа частиц, удаление летучих частиц и предотвращение образования искусственных частиц. Компоненты системы были отобраны на основе результатов лабораторных экспериментов, в ходе которые были сопоставлены различные технологии разбавления и кондиционирования аэрозолей. В этом разделе представлен обзор системы, ее рабочего принципа и используемых компонентов. На рисунке 1 показана схема системы. На рисунке 2 показана фотография системы. Размер системы DTT составляет 60 см и имеет размер 50 см х 50 см. Вес системы составляет около 20 кг. Включая необходимые периферийные элементы (т.е. аккумулятор и газовую бутылку) общий вес составляет около 80 кг. Основными элементами системы являются две стадии разбавления (т.е. первая горячая, вторая холодная), каталитическая стриптизерша и, по крайней мере, один счетчик частиц конденсации (CPC).

Рисунок 1: Схематический рисунок переносной системы измерения выбросов DTT. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Рисунок 2: Изображение верхнего вида системы выборки DTT. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Две стадии разбавления снижают концентрацию числа частиц до уровней, измеримых счетчиками частиц конденсата (Lt;10⁴ q/cm³). На заказ пористые разбавления трубки используются для обеих стадий разбавления. Эта технология была выбрана из-за его низкой^{потери частиц 18,19}. Радиальный вход разбавленного воздуха конвективно удерживает частицы от стенок, что уменьшает потери частиц. Кроме того, эти разбавления могут быть очень маленькими и могут выдерживать температуру 400 градусов по Цельсию. Используемый пористый материал является спекаемой hastalloy X трубки (GKN Фильтры Металлы GmbH, Radevormwald, Германия). Статические элементы смешивания внутри пористой трубки обеспечивают хорошо смешанный аэрозоль непосредственно вниз по течению от разбавляя. Это позволяет взять репрезентативную выборку разбавленного аэрозоля для дальнейшего кондиционирования или измерения путем разделения аэрозольного потока непосредственно вниз по течению от разбавляемого, и позволяет компактную систему отбора проб. Первичная стадия разбавления обычно нагревается до 350 градусов по Цельсию, в то время как вторая ступень работает при температуре окружающей среды. Коэффициент разбавления системы составляет около 80. Точное значение зависит от потока входов и управления массовым потоком: скорость потока в системе отбора проб управляется системой из двух контроллеров массового потока и двух метров массового потока. Контроллеры массового потока контролируют скорость разбавления воздушного потока. Метры массового потока отслеживают скорость потока, извлеченную вниз по течению от этапов разбавления 1 и 2. Различия между извлекаемыми потоками и поставляемыми потоками могут быть изменены. Другими словами, чистый поток, добавленный или вычитаемый в одном этапе разбавления, может быть определен. Выборка скорости потока,Q выборка_sample, определяется как сумма всех других скоростей потока: 1) Скорость потока, нарисованная измерительных приборов_{(No inst);} 2) скорость разбавления воздушного потокаQ_(дил,i); и 3) превышение ставок потока и_ex,i. При расчете потока выборки вклад потоков, извлеченных из системы, является положительным, а вклад потоков, покапленых в систему, отрицательным.

Общее коэффициент разбавления DR рассчитывается по:

Каталитическая стриптизерша (CS) расположена между стадией разбавления 1 и 2 и работает при 350 градусах по Цельсию при скорости потока 1 литр в минуту (L/min). Каталитическая стриптизерша обеспечивает окисление органических соединений и хранение серы. Удаление этих веществ обеспечивает изоляцию фракции твердых частиц. Предотвращается нежелательное образование летучих и полуволатильных частиц и рост частиц подкожного размера. Используемая каталитическая стриптизерша доступна на коммерческой основе (AVL GmbH). Эффективность удаления летучих частиц CS была проверена с помощью частиц масла polydisperse emery (50 нм и 1^{мг/м 3} (3,5-5,5 мг/м^3),показав эффективность в размере 99% (фактическое значение 99,9%) в соответствии с правилами RDE²⁰. Это более строгий тест, чем тест тетраконтана, предписанный в текущем протоколе PMP.

Один или несколько счетчиков частиц конденсации используются для измерения концентрации числа частиц ниже по течению второй стадии разбавления. КТК с d_{50 из} 23 нм позволяет измерять регулируемое в настоящее время излучение твердых частиц, более 23 нм. Кроме того, измерение концентрации числа частиц с помощью одного или нескольких КТК_{с более низкой точкой} разреза d 50 (например, 10 нм, 4 нм) позволяет оценить нерегулируемую в настоящее время фракцию твердых частиц lt;23 нм до размера D_50, применяемого КПК.

Линия разбавления воздуха, первичный пористый разбавитель трубки и каталитическая стриптизерша имеют независимые нагревательные элементы, содержащие термокоупли k-типа (ТК). Самостоятельное нагревание различных секций контролирует распределение температуры в системе.

В дополнение к термокуплам в нагревательных элементах, два термокоупла помещаются вниз по течению от стадии разбавления 1 и 2. Эти два термокупла непосредственно измеряют температуру аэрозоля.

Два датчика абсолютного давления (NXP MPX5100AP) используются для мониторинга давления на входе и выходе системы отбора проб.

Для мобильных измерений используется аккумуляторная батарея Clayton Power LPS 1500. 10-луночное синтетическое воздушное баллон снабжает систему разбавленным воздухом во время мобильных приложений. Размеры аккумулятора и газового баллона выбраны таким образом, чтобы система можно было работать самостоятельно в течение 100 минут.

Система управляется с помощью NI myRIO под управлением виртуального инструмента LabVIEW. Виртуальный прибор позволяет контролировать скорость потока и температуру нагревателя. Помимо контролируемых параметров, температура аэрозоля, давление и ускорение (через датчик, интегрированный в MYRIO) можно контролировать и войти. Модуль GPS-аксессуар myRIO позволяет ведения журнала данных о положении. На рисунке 3 и рисунке 4 показывается пользовательский интерфейс виртуального инструмента, используемого для управления системой DTT.

Рисунок 3: Обзор параметра виртуального инструмента DTT. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Рисунок 4: Виртуальная панель управления обогревателем приборов DTT. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Любая процедура отбора проб приводит к потерям частиц. Для учета этих потерь проводятся лабораторные измерения для определения размера частиц, зависящих от проникновения частиц через систему отбора проб DTT. В этих измерениях концентрация частиц монодисперсного аэрозоля измеряется вверх и вниз по течению от системы отбора проб с использованием двух счетчиков частиц конденсата. На рисунке 5 показана экспериментальная установка для калибровочные измерения. В этой установке, Цзин miniCAST используется в качестве источника частиц^21,22. Контроллеры массового потока (МФЦ) используются для управления потоками газа в горелку. Разбавляемый мост позволяет корректировать концентрацию числа частиц. Разбавляемый мост является высокой эффективностью твердых частиц воздуха (HEPA) фильтр параллельно иглы клапана. Корректировка положения иглы клапана изменяет коэффициент разбавления, изменяя соотношение между долей аэрозоля, проходящего через фильтр HEPA, и долей аэрозоля, проходящего через игольчатый клапан. Фильтрованные и нефильтрованные аэрозоли рекомбинируются Т-куском для формирования разбавленного аэрозоля. Каталитическая стриптизерша используется для удаления возможных обильных летучих соединений, генерируемых в качестве побочных продуктов процесса сгорания. Электростатический классификатор TSI 3082 вместе с анализатором дифференциальной мобильности TSI 3085 (nano DMA) используется для выбора размеров частиц. Два TSI CPCs 3775 (d_{50 и} 4 нм) используются для измерения концентрации числа частиц вверх по течению и вниз по течению от системы отбора проб DTT. Точка разреза счетчиков d_{50 и} 4 нм позволяет определить проникновение при размерах частиц до 10 нм и ниже.

Рисунок 5: Схематического чертежа экспериментальной установки, используемой для калибровки системы отбора проб DTT. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

протокол

1. Процедура калибровки

1. Настройка и подготовка инструментов.
   1. Поместите описанные инструменты, показанные на рисунке 5,организованным и компактным способом в лаборатории с системой экстракции.
   2. Подключите инструменты, указанные стрелками на рисунке 5, используя проводящие трубки. Держите трубки как можно короче, чтобы свести к минимуму потери диффузных частиц.
   3. Подключите приборы, требующие питания (т.е. систему DTT, системный насос DTT, два CPC, DMA, каталитический стриптизерша и MFCs) к розеткам.
   4. Подключите КПК, систему DTT и МФЦ к ноутбуку.
   5. Убедитесь, что ноутбук имеет необходимое программное обеспечение, установленное для связи с подключенными устройствами.
   6. Установите недостающее программное обеспечение, если это необходимо.
2. Разогреть экспериментальные компоненты по крайней мере за 30 минут до начала калибровочные измерения для обеспечения термически стабильной установки измерения.
   1. Начните работу горелки, установив поток газа, контролируемый внешним МФЦ, на стартовый параметр, указанный в руководстве пользователя.
   2. Зажгите пламя.
   3. Кормите сажу в систему экстракции.
   4. Произвести частицы сажи со средним диаметром 50 ± 5 нм, установив контролируемые МФЦ потоки соответственно. Таблица настроек и ожидаемого распределения размера частиц можно найти в руководстве горелки или в литературе²³. Для мини-настройки в таблице 2 можно использовать:
   5. Начните нагревать каталитической стриптизерши, установив соответствующий контроллер температуры до 350 градусов по Цельсию.
   6. Включите КПК и установите в режим низкого потока (т.е. поток входов 0,3 л/мин).
   7. Настройка связи КПК с ноутбуком с использованием программного обеспечения производителя КПК или серийной связи.
   8. Запустите процедуру разогрева системы DTT, описанную в разделе 3.1.
   9. Установите ударник с соплом 0,071 см на входе классификатора в соответствии с руководством пользователя.
   10. Включите классификатор. Дисплей на классификаторе должен отображать поток ударов 1,30 ± 0,05 л/мин. Если показанный поток отличается, дважды проверьте трубку, соединяющую классификатор с CPC и системой DTT.
   11. Установите скорость потока оболочки классификатора до 13 л/мин с помощью пользовательского интерфейса.
   12. При использовании мягкого рентгеновского источника (TSI 3088) включите нейтрализатор классификатора.

Газа	Расход
Пропан	20 мл/мин
Газ утоления (N2)	2 л/мин
Разбавленный воздух	5 л/мин
Окислительный воздух	0,5 л/мин
Смешивание газа (N2)	0 л/мин

Таблица 2: Предлагаемые миниКАСТ скорости потока для калибровки измерений.

3. После по крайней мере 30 минут разогрева времени выполнить калибровочные измерения.
   1. Прекратите подавать сажу в систему экстракции и соедините розетку горелки с разбавляющей мостом.
   2. Установите размер частицы, выбранный классификатором, до 10 Нм с помощью пользовательского интерфейса.
   3. Используя клапан разбавления моста иглы, отрегулируйте концентрацию числа частиц вверх по течению системы DTT для того чтобы быть 10⁴ ± 10³ q/cm^3. Эта концентрация частиц дает относительно высокий сигнал, что позволяет короткое время измерения в то время как CPCs работают в режиме одного счета, что обеспечивает высокую точность. При желаемой концентрации 10⁴ ± 10³ евро/см^{3 не может быть достигнута из-за} чрезвычайно низких концентраций частиц, испускаемых генератором сажи, максимизировать пропускную способность через разбавляемый мост, полностью открыв клапан.
   4. Начните регистрацию данных системы DTT (если она еще не запущена), нажав кнопку«Начать регистрациюданных» в программном обеспечении DTT Labview.
   5. Начните регистрацию данных двух КПК с использованием несвободных программ или серийной связи.
   6. Подождите 30 с для экспериментальной установки, чтобы стабилизироваться.
   7. Обратите внимание на метка времени и размер набора частиц, чтобы отметить начало измерения.
   8. Вы запустите измерение в течение 2 минут.
   9. Обратите внимание на метка времени, чтобы отметить конец измерения.
   10. Повторите шаги 1.3.3-1.3.9 для размеров частиц 15 нм, 30 нм, 50 нм и 100 нм. Дополнительные измерения могут быть приняты, если лучшее разрешение размера желательно.
   11. Выполните еще один набор измерений на тех же размерах частиц, что и раньше, повторяя шаги 1.3.2-1.3.10.
   12. Прекратите регистрацию данных измерений двух КПК и системы DTT.
   13. Выключите все инструменты.
4. Оцените собранные данные калибровки с помощью программы электронной таблицы.
   1. Экспорт данных о концентрации частиц, измеренных КФУ, в файл .csv или .txt.
   2. Импорт данных КПК и системы DTT в инструмент оценки данных.
   3. Присвоить данные соответствующим измерениям путем выделения данных из каждого инструмента (т.е. 2 КПК, система ДКТ) с помощью таймштампы между началом и конечной тайм-штампом измерения к соответствующему измерению. Рекомендуется автоматизировать эту задачу с помощью инструмента оценки данных.
   4. Среднее время двух наборов данных о концентрации частиц (CPC) и коэффициента разбавления (система DTT) для всех точек измерения.
   5. Рассчитайте относительное проникновение частиц для всех точек измерения по следующей формуле:
      
      Где P_n является относительным проникновением частиц в определенной точке измерения n. является концентрация частиц, измеренная КТК ниже по течению от системы DTT, усредная по времени точки измерения n. является соответствующая концентрация частиц, измеренная КТК вверх по течению системы DTT, усредная по времени точки измерения n. является коэффициент разбавления из системы DTT, усредненный по времени точки измерения n.
   6. Рассчитайте среднее проникновение частиц P,_mean в среднем по среднему проникновению частиц на 30 нм, 50 нм и 100 нм размер частицы.
      
      Это значение используется для расчета фактора снижения концентрации частиц (PCRF), разделяющего коэффициент разбавления DR со средним значением эффективности проникновения P._mean
      
      PCRF рассчитывается из проникновения на 30 нм, 50 нм и 100 нм, чтобы быть сопоставимы с PMP совместимых, коммерчески доступных инструментов. Измерения размеров не более 30 нм, 50 нм и 100 нм используются для определения размера отсечения d₅₀ системы, чтобы лучше охарактеризовать систему вне нормативной базы.

2. Установка и подготовка к реальным измерениям выбросов

1. Выберите транспортное средство для оценки выбросов количества частиц для частиц lt;23 nm.
2. Выберите маршрут для измерения выбросов количества частиц выбранного транспортного средства. Есть руководства о том, как выбрать соответствующие маршруты в литературе²⁴.
3. Установка счетчика выхлопных газов (EFM)
   1. Выберите EFM с диапазоном измерений, соответствующим ожидаемому диапазону потока выхлопных газов транспортного средства, который будет^{измеряться 24}.
   2. Поместите коробку управления EFM в багажник транспортного средства.
   3. Установите EFM за пределами автомобиля, в соответствии со спецификацией листа производителя. На рисунке 6 показан пример установленного EFM, установленного внешне на трубе в форме, ведущей в багажник.
   4. Убедитесь, что расстояние вверх и вниз по течению efM соответствует правилам ЕС (т.е. 4x диаметр трубы или 150 мм прямой трубы, в зависимости от того, что больше, должны быть вверх по течению и вниз по течению датчика потока).
   5. При измерении транспортных средств с несколькими выхлопными многогранными, отдельные выхлопные трубы должны быть соединены перед EFM и поперечной области этой трубы увеличилось соответственно, чтобы сохранить увеличение выхлопа назад как можно меньше. Если это невозможно, поток выхлопной массы может быть измерен с помощью нескольких ЕФМ.
   6. Убедитесь, что разъемы от трубы EFM до выхлопной трубы транспортного средства могут выдерживать температуру выхлопных газов (т.е. не следует использовать пластик).
   7. Диаметр трубы, диаметр разъема и диаметр любых расширений, необходимых для отбора проб, не должны быть меньше диаметра выхлопной трубы, чтобы поддерживать давление выхлопных газов как можно ниже.
   8. Запустите трубопровод в выхлопных газах транспортного средства.
   9. Подключите выхлопные газы к первой трубе с соединительными трубами и зажимами труб. Затяните зажимы трубы только в конце, чтобы иметь возможность выровнять трубы во время установки.
   10. Соедините одну трубу одновременно с соединительными трубами и зажимами труб до тех пор, пока не будет подключения от выхлопных газов к EFM. Это должно быть как можно короче.
   11. Поместите в багажник коробку управления EFM и кронштейн для монтажа EFM, чтобы убедиться, что во время измерения ничего не проскальзывает.
   12. Убедитесь, что все трубопроводы плотно, и ничего не приходит свободно во время измерения поездки.
   13. Включите EFM.
   14. После разминки до 15 мин в зависимости от температуры окружающей среды (см. руководство пользователя EFM), счетчик потока выхлопных газов^{готов измерить 25,,26,,27,,28}.

Рисунок 6: Изображение установленного EFM. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

4. Подготовка и установка системы измерения DTT в багажнике транспортного средства
   ПРИМЕЧАНИЕ: Описанные здесь измерения проводятся с помощью двух счетчиков частиц конденсата в качестве приборов учета для системы DTT. Один из КПК (TSI 3790A) имеет более низкий размер отсечения d₅₀ 23 нм, что равно действующему законодательному пределу. Другой CPC (коммерчески доступны 10 нм AVL CPC) имеет более низкий d₅₀ отсечения 10 нм. Параллельное измерение выбросов частиц с помощью этих двух приборов позволяет оценить регулируемые в настоящее время выбросы (23 нм) и фракцию lt;23 нм.
   1. Возьмите ноутбук и установите программное обеспечение DTT и программное обеспечение для регистрации данных измерения CPC.
   2. Поместите синтетическую бутылку воздуха в багажнике или на пол перед задними сиденьями и починьте ее с помощью ремней.
   3. Поместите батарею в багажник автомобиля и починьте ее. Подключите входной кабель переменного тока и подключите его к локальному источнику питания.
   4. Поместите и зафиксировать вакуумные насосы для системы отбора проб и счетчики частиц конденсата в багажнике транспортного средства и подключите их к батарее.
   5. Поместите систему DTT в багажник транспортного средства и зафиксните его положение с помощью ремней. Рисунок 7 и рисунок 8 показывают систему DTT в багажнике автомобиля. Подключите систему к мобильному аккумулятору.
   6. Подключите два входных МФЦ системы DTT к стационарному воздухоснабжению под давлением. Подключите две розетки MFM системы DTT к вакуумной насосу.
   7. Используйте соответствующие трубки для привода выхлопных газов насоса за пределами транспортного средства.
   8. Подключите систему DTT к измерительные ноутбуки с помощью USB-кабеля.
   9. Подключите вход системы к точке выборки ниже по течению от EFM. Подключите вход питания системы к батарее. Подключите входы счетчиков конденсации к батарее.
   10. Подключите КПК к соответствующему внешнему вакууму насоса.
   11. Накрените бутылки с бутанолом КПЦ на раме системы разбавления как можно дальше от пассажиров транспортного средства.
   12. Убедитесь, что крышка привинчена плотно и не открывается во время измерения диска при ускорении.
   13. Используйте соответствующие трубки для привода выхлопных газов КПК и / или внешнего насоса за пределами транспортного средства. Подключите КПК к измерительные ноутбуки с помощью USB-кабелей.
       ПРИМЕЧАНИЕ: Рисунок 9 показывает подготовленный автомобиль. Система DTT установлена в багажнике транспортного средства. Коммерческая система PN-PEMS также установлена для использования в качестве эталона для регулируемого излучения твердых частиц .

Рисунок 7: DTT PEMS изнутри транспортного средства. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Рисунок 8: DTT PEMS внутри багажника транспортного средства. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Рисунок 9: Установлен автомобиль с коммерчески доступными PN-PEMS (AVL MOVE) и DTT PEMS. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

3. Измерение операции

1. Отопление и запуск измерительной системы
   1. Включите два КПК и их внешний вакуумный запас.
   2. Откройте программное обеспечение CPCs на ноутбуке измерения и установить связь с CPCs. Сообщение может либо работать через несвободные программы инструмента, либо через серийную связь, как описано в руководстве КПК.
   3. Закройте игольчатые клапаны ниже по течению от МФМ.
   4. Включите насос системы отбора проб DTT.
   5. Включите систему выборки, нажав красный переключатель вниз.
   6. Откройте приложение LabVIEW DTT на компьютере. Связь с системой начинается автоматически.
   7. Графический пользовательский интерфейс (GUI) приложения DTT LabVIEW теперь отображает потоки в и на стадии разбавления 1 и 2, которые должны быть 0,00 л/мин. Если нет, дважды проверьте, что иглы клапаны закрыты должным образом.
   8. Введите массовый поток, нарисованный подключенными измерительных приборами в sL/min. Если поток, нарисованный приборами, неизвестен, измерьте его с помощью портативного счетчика массового потока (например, компактной серии «Вёгтлин ред-й»). Повторное подключение труб после измерения потоков, нарисованных CPCs.
   9. Медленно откройте игольчатые клапаны до тех пор, пока оба "Вытекает" не достигнут 10,0 ± 0,5 сл/мин. Оба "Потоки" увеличатся до тех же значений, что и соответствующие "Потоки".
   10. Отрегулируйте "Add Flow" (т.е. разницу между разбавленным потоком воздуха_CS и избыточным потоком) обоих этапов разбавления, чтобы получить 1,0 ± 0,1 л/мин через каталитической стриптизерши и образец входного потока образца No 1,0 ± 0,1 л/мин._sample
   11. Нажмите навкладку "Нагреватель",чтобы установить температуру нагревателя.
   12. Установите температуру нагревателя разбавления воздуха, первый пористый разбавитель трубки, и каталитической стриптизерши до 350 градусов по Цельсию. Теперь система начнет нагреваться. Ниже"Установить"интерфейсы текущей температуры и нагрева энергии проценты отображаются.
   13. Подождите, пока температура газа вниз по течению разбавленной стадии 1 ("T DilStage 1" в GUI) достигает 290 градусов по Цельсию, прежде чем начать измерения диска. Это займет около 20 минут.
2. Регистрация данных
   1. Начните регистрировать данные на измерительных устройствах, подключенных к системе выборки DTT.
   2. Начните регистрировать данные системы выборки, нажавкнопку «Начало регистрацииданных» и выберите путь и имя файла во всплывающем окне. Путь файла журнала будет отображаться, а зеленый свет будет указывать на то, что данные сохраняются. Данные системы регистрируются с частотой 2 Гц.
   3. Войти данные о концентрации частиц КПК с помощью соответствующего программного обеспечения. Это может быть либо программное обеспечение производителя, либо серийное программное обеспечение связи (например, PuTTY).
   4. Начните регистрацию выхлопных газов с помощью EFM.
3. Вождения
   1. Перед тем, как ехать по выбранному маршруту, отключите зарядный кабель батареи и переключитесь со стационарного воздуха под давлением на газовый баллон.
   2. Привод выбранного маршрута.
4. После вождения
   1. Нажмите "Logging ...",чтобы остановить запись данных. Выключите инструменты.
5. Зарядить батарею, чтобы подготовиться к следующему диску.

4. Анализ данных

1. Импорт данных из системы отбора проб, EFM (для потока выхлопных газов) и измерительных приборов в ту же программу анализа данных.
2. Выполните выравнивание времени, учитывая время транспортировки выхлопных газов из выхлопной трубы в измерительные приборы. Время транспортировки t_{dil через} систему разбавления составляет 2,5 с. Образец времени транспортировки_через линию отбора проб можно вычислить следующим образом:
   
   Там, где t_{образец} является время транспортировки через_{линию отбора проб в считанные секунды, т дил является время транспортировки} через систему разбавления (2,5 с),_sample образец является поперечной области_sample сечения^{линии отбора проб в м 2}, l образец_sample длина линии отбора проб от точки выборки до введения системы разбавления в метрах, и Q̇ образец DTT разбавленной системы образца потока^{в м 3}/s. t Добавить t образец_sample t_dil, чтобы получить общее время задержки t итог:_total
   
   ПРИМЕЧАНИЕ: Например, т общей_длиной трубы 0,5 м с диаметром внутренней трубы 4 мм и пробным потоком 1 л/мин равен 2,88 с. Рисунок 10 показывает пример выравнивания времени измеренного числа частиц (голубая пунктирная линия) к сдвинутому во времени числу частиц (синяя линия).

Рисунок 10: Пример выравнивания времени измеренного числа частиц PN в q/cm^{3 по сравнению} с измеренным потоком выхлопной массы в кг/ч. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

3. Чтобы вычислить количество частиц в PN q/s, поток выхлопных газов V̇exhaust_norm в_см ^3/sдолжен быть рассчитан сначала по следующей формуле:
   
   где V̇_{exhaust_norm является} стандартным потоком выхлопных газов в^{м 3/с,} и выхлопные газы являются измеренным потоком выхлопной_exhaust массы в кг/с, R является идеальной газовой константой для воздуха (287,1 Дж/кг), Т_norm норма - это температура при стандартных условиях (273,15 К), а нормой р_norm является давление при стандартных условиях (101 330 па). При этом поток объема выхлопных газов в стандартных условиях число частиц может быть рассчитано путем умножения V̇exhaust_norm_с коэффициентом разбавления DR системы отбора проб, концентрацией c_{PN, измеренной} CPCs, и фактором 10⁶ (для преобразования от^{м 3} до см^3).
   
4. Чтобы исправить потери частиц, умножьте поток выхлопных газов частиц в разы скорость концентрации числа частиц с фактором снижения концентрациичастиц системы( PCRF ) вместо коэффициента разбавления DR. Определение PCRF описано в разделе инструкции по калибровке 1:
   

Результаты

Данные калибровки (Проникновение частиц):

На рисунке 11 показан образцовый сюжет относительного проникновения частиц в систему DTT как функцию диаметра подвижности частиц. Соответствующие данные были измерены и оценены, как описано в разделе инструкции 1. Сюжет показывает, что отклонения между двумя точками измерения при одинаковом диаметре подвижности были менее 5%. Отклонения более 10% указывают на неуверенность в экспериментальной установке. В этом случае калибровку пришлось повторить с увеличением времени нагрева стабилизации. И время разогрева (обычно 30 мин),, и время стабилизации (обычно 30 с) увеличились в 1,5.

Частицы, проходящие через систему DTT, были потеряны из-за диффузии и термофореза. Термофоретические потери были вызваны температурным градиентом, рисуя частицы к стенам системы отбора проб. Это размер частиц независимый эффект²⁹; в отличие от этого, диффузия сильно зависит от размера частиц. Градиент концентрации вызвал чистый поток частиц к стенам, где частицы были потеряны. Диффузивность, поднимающаяся с более низким размером частиц, сделала этот механизм доминирующей потери частиц ≤10 нм. Линии на рисунке 11, указывающие на термофоретические, диффузные и общие потери, демонстрируют соответствующие зависимости размера частиц. Для диффузных потерь эта функция использовалась для иллюстрации приблизительной зависимости размера частиц:

Проникновение P зависит от подготовного параметра a и диффузионные коэффициенты D:

Коэффициент диффузии зависит от постоянной K Boltzmann , абсолютная температура T, вязкость η, диаметр частицы d_p, и коэффициент коррекции скольжения Каннингема C c_c, который является функцией среднего свободного пути и диаметра^{частицы 29}.

Данные, иллюстрированные на рисунке 11, привели к следующему среднему повышению эффективности проникновения частиц P:_mean

Размер частицы, где эффективность проникновения составляет 50%, называется d_50. D_{50 описывает} характеристику отсечения проникновения системы. Для системы DTT d_{50 был} 11 нм. D_{50 показан} на рисунке 11.

Рисунок 11: Проникновение частиц как функция диаметра подвижности частиц.
Очки, отмеченные синим цветом, являются результатами измерений. Разбитые линии оранжевого и зеленого цветов указывают на потери, связанные с термофорезом и диффузией, соответственно. Красная линия представляет общие потери как сумма диффузных и термофоретических потерь. Фиолетовая линия dotdashed показывает среднее проникновение частиц Pmean, рассчитанное в разделе инструкции по измерению калибровки 1. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Номер твердых частиц:

На рисунке 12 показана скорость выбросов числа частиц в течение первых десяти минут измерения RDE. Данные DTT PEMS с использованием 10 нм и 23 нм CPC отображаются вместе с данными из коммерчески доступной 23-нм тоной системы. Показатели выбросов частиц были рассчитаны на основе соответствующих концентраций частиц, умноженных на скорость потока выхлопных газов, как описано выше в разделе 4 инструкции по анализу данных. Справочный прибор (AVL MOVE) опирался на диффузионные зарядные устройства для измерения концентрации числа частиц. Несмотря на различные принципы датчиков, данные, измеренные с помощью DTT PEMS, в целом были в очень хорошем согласии с данными, измеренным коммерчески доступными PEMS. Резкие нисходящие скачки во всех трех сигналах произошли из-за того, что измерительные приборы частиц могут временно сообщать об нулевых концентрациях частиц, а нули не могут отображаться на логаритмических участках. Выбросы частиц, измеренные с 10 нм КТК были очень близки к выбросам измеряется с 23 нм КТК в течение большей части периода времени показано на рисунке 12. Тем не менее, в самом начале между 10 с и 25 с произошло появление значительного выброса частиц lt;23 нм. Сигнал DTT 10 nm был значительно выше сигнала 23 нм системы DTT и AVL MOVE. В этом случае, йgt;50% от общего числа частиц, испускаемых были между 10 нм и 23 нм. Холодный старт динамических процессов в нетемном равновесии может привести к распределению размера частиц отличаться от выбросов от горячего^{транспортного средства 30}. Обсуждение этих сложных процессов выходит за рамки этой работы. Более подробную информацию по этой теме можно найти в^{литературе 31,,32,,33}.

Рисунок 12: В верхней части рисунка показана скорость выбросов числа частиц в течение первых 10 минут измерения RDE.
В качестве эталона используются данные, измеренные с помощью DTT PEMS с использованием 10 нм и 23 нм КТК и коммерчески доступной 23-нм тоной тоной системы (AVL MOVE). Нижняя часть рисунка показывает скорость транспортного средства. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Обсуждение

В этой работе представлена система отбора проб НТТ и ее применение в качестве портативной системы измерения выбросов. Система была разработана и построена в рамках проекта ЕС Horizon 2020 DTT, чтобы измерения выбросов частиц ниже текущего законодательного предела размера частиц в 23 нм. Универсальность системы позволяет оценить регулируемые выбросы твердых частиц, а также общие выбросы частиц и исследования вторичных аэрозолей. Для точной интерпретации результатов измерений необходима процедура калибровки с помощью системы DTT. Это необходимо для оценки относительного проникновения частиц для различных размеров частиц, чтобы иметь возможность рассчитать фактор коррекции, который учитывает потери частиц. Крайне важно обеспечить достаточное время для разогрева самой системы отбора проб и остальной части экспериментальной установки для достижения теплового равновесия и достижения точных результатов измерения калибровки.

Описано применение системы ДДТ для измерения выбросов твердых частиц с более низким размером частиц 23 нм (текущее регулирование) и 10 нм (экспериментальное). Для оценки количества частиц в транспортном средстве необходимо определить концентрацию количества частиц и скорость потока выхлопных газов. Система DTT покрывает измерение концентрации числа частиц. Поток выхлопной массы измеряется с помощью счетчика выхлопных газов (EFM). Очень важно установить EFM в соответствии с инструкциями производителя. Ошибочные измерения скорости потока выхлопных газов непосредственно влияют на выведенные показатели выбросов. При обработке измеренных данных важно выполнить точное выравнивание данных о концентрации частиц и данных о выхлопных газах. Это необходимо, поскольку скорость выбросов является скоростью потока выхлопных газов, умноженной на концентрацию числа частиц. Если эти два сигнала не выровнены правильно, выбросы в течение всего диска может значительно отклоняться от реальных выбросов.

Система DTT является не коммерческим устройством, а универсальным исследовательским инструментом. Он используется для расследования нерегулируемых выбросов транспортных средств, в отличие от проведения сертификационных измерений, подтверждающих соблюдение действующих правил. Высокая универсальность происходит за счет увеличения потребления энергии и разбавления воздуха. При использовании системы для мобильных измерений, вес, добавленный в транспортное средство из-за батареи (30 кг) и газовой бутылки (20 кг) для покрытия потребления энергии и воздуха системы должны иметь в виду. Общий вес автомобиля при измерении выбросов PN с помощью системы DTT составляет примерно 80 кг, что сопоставимо с другим лицом, перевозимым в транспортном средстве. Дополнительный вес может привести к незначительному увеличению выбросов, особенно если привод включает в себя значительное ускорение и / или холмы.

Система DTT может быть использована для исследования нерегулируемых выбросов выхлопных газов частиц. Можно измерить как твердые, так и общие выбросы количества частиц. Кроме того, он может быть полезным инструментом для изучения сложной области вторичного образования аэрозолей. Другим возможным применением системы является измерение частиц износа автомобильных тормозов. Значительная часть частиц, испускаемых во время торможения, может быть меньше 30 нм^34. С d_{50 из} приблизительно 11 нм, система DTT подходит для изучения этих выбросов. Хотя известно, что выбросы, не связанные с выхлопными газами, вносят почти равный вклад в связанные с_{движением выбросы ТЧ 10} ^{35, выбросы}не выхлопных частиц по-прежнему не регулируются. Это связано со сложным и редко воспроизводимым процессом генерации частиц, что затрудняет принятие нормативных мер. Кроме того, химический состав и связанная с ним токсичность органических частиц износа тормозов до сих пор широко^{неизвестны 35}.

Система DTT является полезным инструментом для улучшения нашего понимания выбросов частиц, связанных с выхлопными газами и не выхлопными газами.

Материалы

Name	Company	Catalog Number	Comments
2x Condensation Particle Counter 4 nm	TSI	3775	Particle counter with a cut point of 4 nm
5x Mass Flow Controllers (MFC)	Vögtlin		Mass flow controllers for controlling the miniCast gas flows
AVL M.O.V.E. EFM Exhaust Flow Meter	AVL		Device for the measurement of the exhaust flow rate of vehicles
Catalytic Stripper	Custom made		Device for the removal of volatile compounds in an aerosol by oxidation
Compressed Air			Oxidation and dilution air supply for miniCast
Condensation Particle Counter 10 nm	AVL		Particle counter with a cut point of 10 nm
Condensation Particle Counter 23 nm	TSI	3790A	Particle counter with a cut point of 23 nm
Differential Mobility Analyzer	TSI	3085	Part of the electrostatic classifier where the particle are separeted by mobility.
Dilution Bridge	Custom made		Needle valve in parallel to HEPA filters. Used to adjust particle concentrations for calibration purposes
DownToTen Sampling System	Custom made		Custom made sampling system for the assessment of automotive sub-23 nm particle emissions
Electrostatic Classifier	TSI	3082	Device for the classifaction of arosol particles by electrical mobility diameter
Hand held Mass Flow Meter (MFM)	Vögtlin		Device for measuring the inlet flow of measurement instruments
miniCast Soot Generator	Jing Ltd		Combastion aerosol standard, soot generator
Mobile Battery LPS 1500	Clayton Power		Battery for power supply of the DTT measurement system
Nitrogen Gas Bottle			Nitrogen for Mixing gas and quench gas supply of miniCast
Propane Gas Bottle			Fuel for miniCast
Soft X-Ray Neutralizer	TSI	3088	Device for the establishmentof the equillibrium charge distribution of aerosol particles
Synthetic Air Bottle 10 L			Gas Bottle for the dilution air supply